瞬态接触材料非线性收敛问题 - 螺旋线挤压变形分析
这是 ANSYS 工程实战 第 17 篇文章
问题描述：
瞬态接触材料非线性收敛问题，一直是仿真分析中比较头疼的一块，因为网格划分不合理、接触设置不当、 边界设置不合理、载荷步设置不充分、载荷子步设置不合理、载荷加载方式不对等等都会导致计算不收敛。
空间行波管的高频部分主要由螺旋线、夹持杆和管壳组成，螺旋线挤压变形过程中是一个典型的瞬态接触材料非线性问题。通过螺旋线挤压变形分析，给出瞬态接触非线性问题的解决方法。本章通过螺旋线挤压分析说明瞬态接触非线性力学分析关键过程设置。
1. 仿真模型及前期设置
模型简化：为分析螺旋线变形，特设计下图模型进行仿真分析，模型包括螺旋线、三根挤压杆、支撑架三部分。三根挤压杆与支撑架宽度方向零对零配合，长度方向有一定间隙。
图1 螺旋线挤压模型
螺旋线模型包括三部分：首尾各 4 圈分别做为一分部，中间 16 圈为一部分。模型这样处理主要是考虑螺旋线端处会出现应力奇异点，在显示应力变形时，只看中间部分螺旋即可。
图2 三段螺旋线模型
与螺旋接触处的挤压杆头需做特殊处理，保证挤压过程螺旋线与挤压杆接触充分。
part 设置：三段螺旋线设置为一个 part ，其他模型进行接触设置。
图3 螺旋线part设置
材料参数设置：螺旋线材料为 Mo1，材料设置塑性，柔性体，三根挤压杆材料为 1Cr18Ni9Ti , 设置为刚体，支撑件材料为 1Cr18Ni9Ti，设置为柔性体，具体设置如图 4。
图4 挤压杆材料参数设置
坐标系设置：需分别对螺旋线、三根挤压杆设置局部坐标系。螺旋线设置局部柱坐标系，设置如图 5，为了在结果分析时显示径向变形。
图5 螺旋线柱坐标系设置
三根挤压杆分别设置局部坐标系如图 6，X方向沿径向向外。
图6 挤压杆局部坐标系设置
接触设置：三根挤压杆与支撑杆之间设置接触，摩擦系数 0.05，其他设置不做变化，使用默认，挤压杆设置为目标体。摩擦系数根据仿真经验取0.05。
图7 挤压杆与支撑杆接触设置
三根挤压杆与三段螺旋线设置接触，摩擦系数 0.1，其他设置不做变化，使用默认，挤压杆设置为目标体。摩擦系数根据仿真经验取 0.1。
图8 挤压杆与螺旋线接触设置
网格划分：网格大小设置不匹配或使用四面体网格设置会影响计算收敛，关键部位网格适当细化。
多次计算不收敛后，网格最终设置螺旋线网格大小为 0.08mm，挤压杆网格大小为 0.1mm，支撑杆网格大小为 1mm，网格数 441032，如图 9。螺旋线网格使用六面体，如图 10。四面体网格会影响计算收敛，不同的网格大小设置会影响计算收敛。
图9 模型网格
图10 螺旋线网格
时间步设置：时间步设置直接关系计算收敛，在其他条件不变的情况下，最终通过多次调解时间步和时间子步完成收敛。每次计算不收敛发生在哪步，就对应增加子步，重复进行计算，直到完成收敛。
最终时间步设置为 5 步，第 1 步设置如图 11，最大子步 40，第 2 步，最大子步 40，第 3 步最大子步 30，第 4 步最大子步 30，第 5 步最大子步 30。开大变形，自动时间步设置为 On。默认条件不做变化。
图11 载荷时间步设置
边界设置：支撑杆两端面设置固定约束，如图12。
图12 固定约束
位移载荷：对三根挤压杆分别设置位移载荷，选择对应的局部坐标系，具体设置如图 13，为了保证收敛，第一步施加一个小位移，第二步及以后步按照具体需求施加。
在案例分析中，希望看到螺旋线在载荷 0.0025，0.005mm，0.0075mm，......，0.01mm，0.02mm，...，一直到 0.07mm 等多个位移载荷下螺旋线的应力和变形情况，由于计算需要很大的内存空间，因此案例分多次计算，每次只计算 5 步。
图13 位移载荷
2. 仿真结果
根据仿真分析，我们可以得到不同挤压量时螺旋线各位置的变形情况，如图14，显示挤压量为 0.01mm 时，螺旋线各点的位移变化情况，挤压位置径向向内收缩 0.0120mm，任意挤压位置之间的径向伸出 0.0077mm，螺旋线呈三角状。
图14 挤压量为 0.01mm 时螺旋线各点位移
图 15 给出挤压量为 0.01mm 时，螺旋线变形情况及挤压杆的分布。
图15 挤压量为 0.01mm 时螺旋线各点位移
图16给出挤压量为 0.01mm 时，螺旋线各点的应力情况，挤压收缩处螺旋线已经发生塑性变形，挤压伸长处，螺旋线也发生了塑性变形，挤压收缩和伸长之间中间处应力较小。
图16 挤压量为 0.01mm 时螺旋线各点应力
特别说明：
文章中多次提到默认条件不做变化，是因为在进行螺旋线挤压分析过程中本人也查了很多资料，有很多建议要对默认做修改，在试算过程中对接触设置，子步设置，计算设置的部分设置进行了修改，最终没能完成收敛。
因此建议尽量不要随便改变默认设置，除非对设置非常了解。
下一章分析本案例如何不断完成收敛及挤压结果详细分析。
